航空發動機原理結構與系統課程教學改革探索

魏濤　吳化勇　高翔

摘? 要：為提高人才培養質量，發揮課堂教學在人才培養中的主渠道作用，針對航空發動機原理結構與系統在目前教學中存在的問題，探討課堂教學改革的思路和措施。在教學內容上，整合和更新理論教學內容，重新設計實驗教學內容，融入課程思政，提供課外補充資料等；在教學方法上，采取講解與互動相結合，通過提問、討論、隨堂練習等方式引導學生積極思考，通過實驗加深學生對基本概念和發動機結構的理解。經過一個學期的教學實踐，同學們給予積極的評價，取得良好的教學效果。

關鍵詞：航空發動機；教學改革；理論教學；實驗教學；課程思政

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0144-04

Abstract： In order to improve the quality of talent training and give full play to the role of classroom teaching as the main channel in talent training， this paper discusses the ideas and measures of classroom teaching reform in view of the problems existing in the current teaching of Aeroengine Principle Structure and System. In terms of teaching content， it integrates and updates the theoretical teaching content， redesigns the experimental teaching content， integrates the curriculum ideology and politics， and provides extracurricular supplementary materials; in terms of teaching methods， the combination of explanation and interaction is adopted to guide students to actively think through questioning， discussion， classroom practice and other ways， and to deepen students' understanding of basic concepts and engine structure through experiments. After a semester of teaching practice， the students gave positive comments and achieved good teaching results.

Keywords： aeroengine; teaching reform; theoretical teaching; experimental teaching; curriculum ideological and political education

為深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要指導思想，加快推進教育現代化、建設教育強國，提高人才培養質量，山東省教育廳決定在全省普通本科高校推動課堂教學改革，充分發揮課堂教學在人才培養方面的主渠道作用。

航空發動機原理結構與系統作為山東交通學院（以下簡稱“我校”）山東省一流本科專業飛行器制造工程的重要課程積極參加了課程教學改革。航空發動機被譽為工業領域的皇冠，但是，我國航空發動機的研制起步晚、經驗少，因此發展慢。近年來，隨著我國正式實施燃氣輪機和航空發動機重大專項，航空發動機的自主設計上升為國家戰略，航空發動機的研制取得了突飛猛進的發展[1]。2021年，珠海航展上我國空軍宣布本屆航展是殲-20配裝國產發動機后的首次公開亮相，這說明我們的航空發動機已經在軍用領域有了巨大的進步。

2022年，中國商用飛機有限責任公司在第十四屆中國國際航空航天博覽會上發布了《中國商飛公司市場預測年報（2022—2041）》。依據經濟發展數據，年報預測，我國民航業的發展質量會不斷提升，布局會不斷優化。未來二十年，我國航空運輸市場將接收噴氣客機9 284架，到2041年，我國的機隊規模將達到10 007架，占全球客機機隊21.1%，我國將成為全球最大的單一航空市場[2]。同年，C919大型客機獲得中國民用航空局頒發的型號合格證，并且全球首架C919飛機交付中國東方航空，2023年上半年C919國產客機已載客運營。未來，隨著C919飛機運營的不斷成熟以及民用渦扇發動機技術的不斷發展，民航領域也將會逐步使用我國自己研制的航空發動機，我國民航領域對航空發動機人才的需求會不斷增加。

基于人才培養的要求和社會發展的需要，本文對航空發動機原理結構與系統的課程教學改革進行探索。

一? 課程教學分析

航空發動機原理結構與系統是我校航空類專業的重要課程，其可以使相關專業的學生了解航空發動機的類型和特點、理解航空發動機的總體結構和工作原理、認識航空發動機的主要部件，為以后的工作打下良好的基礎。

根據本次課程教學改革的要求，結合近年的教學實踐和教學反饋，發現該門課程的內容還需要進一步補充和完善。首先，講解航空發動機原理結構的教材有多種，但是，側重點各不相同，這需要根據專業要求在教學中以一本教材為主，同時吸收其他教材中的精彩部分。其次，由于專業特點，動手操作真實的航空發動機實驗難于開展，目前的實驗教學主要以觀察和講解為主，為了提高同學們對航空發動機的認知以及動手能力，在本次課堂教學改革中引入虛擬仿真實驗和航空發動機模型，使同學們動起來。再次，以前的授課內容中雖然也包含課程思政，但沒有對內容進行系統梳理，本次課程教學改革中對課程思政部分進行整理、補充和完善，使其更好地與專業知識相融合，達到潤物細無聲的效果。最后，在教學方法、學業評價方式等方面也需要進行改革，以提高教學成效，實現教學模式從注重知識傳授的“以教為中心”到“知識+思維方式+想象力”并重的“以學為中心”的轉變，培養方式從灌輸式到探究式的轉變。同時給學生以適當的壓力，開展學業全過程評價，學業評價從死記硬背、“期末一考定成績”到獨立思考、“全過程學業評價”和“非標準答案考試”的轉變，從而達到培養基礎知識扎實，富有創新精神，勝任崗位需求的高素質人才。

二? 課程目標與改革思路

航空發動機原理結構與系統結合民航典型機型，分別介紹航空發動機的類型和特點、民航發動機的典型總體結構、發動機的主要部件和發動機的主要工作系統等[3]。通過本課程的學習，學生能夠了解民航發動機各主要組成部件的功用、類型和構造，掌握發動機主要工作系統的組成、功用和工作原理等。

本課程的目標是傳授航空發動機原理結構與系統的基礎知識；培養學生運用所學知識理解航空發動機的結構和工作原理；培養學生用辯證的思維分析航空發動機結構設計的思路；激發學生的愛國情懷和投身航空發動機事業的興趣。

為實現課程的教學目標，在教學內容的組織與安排上堅持三項原則：①突出一個主線，以航空發動機的總體結構為主線；②堅持兩個統一，即理論與操作、知識與能力的統一；③實現三個結合，即教與學、學與練、課內教學與課外資料自主學習相互結合。

根據課程教學目標以及教學中發現的問題，課程改革的思路是，在教學體系的設計上，先對航空發動機的基本類型和總體結構進行講解，再對壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣裝置展開分析，這有利于學生更好地理解航空發動機的工作原理和結構設計特點。在教學時間的安排上，全面體現“兩個統一”“三個結合”的原則，合理安排理論教學與實踐教學。建立理論與實驗兩大教學體系，使理論與實驗教學的總時數比例達到3∶1，這樣安排的目的在于實現理論知識與實踐能力的有機結合。在課程思政的融合上，選擇與課程知識銜接性好的思政點，以達到知識學習與思政教育的良好配合。在學生課程成績考核的實施上，調整平時成績與期末考試成績的比例，增加平時成績的比重，避免平時不努力，期末突擊復習的學習現象，使學生在日常學習中腦用起來、手動起來。

三? 課程建設與改革措施

根據課程改革思路，在教學過程中主要對理論內容、教學和考核方法、實驗內容、線上教學資料和課程思政內容進行了改革。

（一）? 完善理論內容

整合和更新教學內容，刪除重復、陳舊的部分。所選教材側重結構與系統的講解，原理介紹較少，將航空發動機原理的內容補充到教學中，主要包含以下幾個方面。

1）航空燃氣渦輪發動機為什么要有這樣的結構？先從同學們熟悉的活塞式發動機開始講解，活塞式發動機有四個沖程，它們相輔相成缺一不可，但是活塞式發動機的四個沖程中只有一個沖程做功，因此做功不連續，不適合制成大功率動力裝置。于是人們試圖對活塞式發動機進行改進，但核心的工作原理是必須要遵循的，經過不斷地嘗試人們研制成功了燃氣渦輪發動機，其結構既保持了活塞式發動機的工作原理，又克服了其一些不足之處。

2）沒有壓氣機和渦輪行不行？結合工程熱力學中燃氣渦輪發動機理想循環的熱效率進行講解，使學生明白壓縮氣體的目的是為了提高燃氣輪機的熱效率，而壓縮氣體需要消耗極大的能量，用電能顯然不太現實，于是設計了渦輪從燃氣中吸收一部分能量來傳遞給壓氣機，這是一個巧妙的設計。

3）渦扇發動機為什么比渦噴發動機省油？這個問題作為課外作業，讓學生去查閱資料，課上通過自由發言的方式鼓勵學生說出自己對該問題的理解。根據學生的理解情況，引入渦扇發動機質量附加原理，通過質量附加原理的推導，使學生理解渦扇發動機比渦噴發動機省油的原因，引導學生進行探究式學習。

4）壓氣機葉片為什么是交錯排列的方式，為什么不全是轉子？從中學中速度的合成講起，引導學生先分析壓氣機葉片入口處氣流速度的方向，再分析壓氣機葉片出口處氣流速度的方向。通過比較出入口速度的方向讓學生明白壓氣機為什么不全是轉子，并進一步分析壓氣機靜子葉片應該如何設計出入口氣流的速度方向。

5）發生喘振的原因是什么？所選教材中詳細介紹了防止喘振的措施，但沒有說明喘振發生的原因。補充多級軸流式壓氣機喘振本質上的原因是當發動機在非設計狀態工作時，壓氣機前面增壓級和后面增壓級的流通能力不匹配，因而造成了“前喘后渦”或“前渦后喘”的現象[4]。

6）燃燒室的工作原理。所選教材中詳細介紹了燃燒室的類型和燃燒室的各個部件，通過前面幾輪的授課效果看，學生對于燃燒室各個部件的功能理解不夠透徹。在教學反饋中了解到學生開始燃燒室部分的學習時，對燃燒室的總體結構和工作特點不了解，導致后續的理解出現困難，只有完全學習這一部分后再回顧和總結才能慢慢理解。因此，為使學生較好地理解燃燒室的相關知識，本次課堂教學改革中決定在燃燒室部分，先對燃燒室的工作環境和特點進行講解，以便學生更好地理解燃燒室中為什么要設計相應的部件。

7）將科研成果融入課堂教學，結合教學內容，向學生介紹學術研究的最新成果，開拓學生的科學視野、啟發學生的科學思維。

（二）? 改進教學和考核方法

通過教學方法的改革，提高學生學習的主動性和積極性，推動教育教學主體從“以教為主”轉換為“以學為主”，實現學生在教育教學工作中的主體地位。采取多樣化、信息化的教學手段，充分利用多媒體課件、教學影像資料和網絡教學平臺等現代教育技術，以及提問、討論、隨堂測試等互動方式開展教學活動，打破枯燥乏味的滿堂灌式教學，營造輕松的學習環境，讓學生更加生動、形象、專心、認真地學習專業知識，提高學生的學習興趣。

加強過程性考核，提高平時成績在總成績中的權重，使平時成績占50%，期末考試成績占50%。其中，平時成績包括實驗、討論、提問、作業、隨堂練習、階段測驗和小論文等內容。考試采用閉卷考試的方式，主要考察基礎理論的掌握程度和知識的綜合運用能力。

（三）? 重新設計實驗

對實驗教學進行重新設計，將以往在機庫中以講和觀察為主的實驗方式，改為以學生動手操作為主，老師講解為輔的方式，提高同學們的學習興趣和動手能力。

1）實物航空發動機的裝拆實驗具有一定的危險性，且難度較大、需要的課時數較多，在目前的培養計劃安排下，不適合開展。為此，購買了兩臺渦扇發動機模型，指導同學們進行拆裝實驗。發動機模型為半剖結構，包括風扇、壓氣機的轉子和靜子、燃燒室、渦輪的轉子和靜子、排氣裝置以及機匣等航空發動機的主要部件。學生在組裝前需要熟悉發動機的部件和結構，這可以加深同學們對航空發動機總體結構的認知，同時通過親自動手，還可以幫助同學們更好地理解和掌握理論內容。

2）借助國家虛擬仿真實驗教學項目共享服務平臺，開展虛擬仿真實驗。航空發動機的實驗存在幾個現實的難題：①工作原理難理解。航空發動機的工作介質為空氣，其在發動機內部的流動特點很難觀察，于是學生對發動機工作原理的理解存在困難。②實驗難實現。航空發動機的工作特性實驗需要在高空（或地面高空臺）完成，普通地面環境中的實驗無法獲得真實工作環境數據。③實驗成本高。開展航空發動機整機及部件特性實驗的建設和使用成本高，無法對大批量學生進行開放教學。④實驗風險大。航空發動機工作時轉速高、溫度高，因此危險性高[5]。

采用3D建模、動畫、人機交互等技術研發的航空發動機特性虛擬仿真實驗，動態展示了航空發動機的工作原理、主要部件的結構以及實驗操作的步驟和安全注意事項，解決了航空航天類相關課程實驗教學的不足。

（四）? 補充線上資料

將北京航空航天大學原校長徐惠彬院士的報告《打造中國航空發動機葉片“金鐘罩”》《空天報國——航空夢要一代代青年接力實現》以及洪杰教授的國家精品課程航空燃氣渦輪發動機結構設計引入網絡教學平臺，通過這些資料的學習使同學們了解國內高校的授課內容，加深對航空發動機原理結構的理解，提高投身祖國航空事業的熱情。推薦同學們觀看中央電視臺的節目《關注重大科技成果創新：王者歸“錸”》，了解錸元素熔點高，高溫下升華比率小，而且鎳錸合金可以有效提升合金的蠕變強度，在高溫高壓下不易變形的特點，錸元素的這些特性使其非常適合用在航空發動機的渦輪葉片上。然而一些西方國家為了維持其在航空工業的優勢地位，長期對我國進行材料和技術封鎖，即使在中國投資建廠，也對中國員工層層設防，一些敏感區域限制我們中國員工進入。但是封鎖和限制并沒有阻止我們前進的腳步，成都航宇超合金技術有限公司通過不懈努力終于生產出了符合歐美標準的單晶葉片，這可以激發同學們不畏艱難險阻、勇于面對挑戰的航空報國情懷。

（五）? 融入課程思政

我國高等教育不僅要培養各類專業人才，還必須堅持正確的政治方向，使我們所培養的人才能夠在德智體美勞等方面全面發展，從而成為合格的社會主義事業建設者和接班人。習近平總書記強調，高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人、如何培養以及為誰培養人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[6]。思政教育不僅是思政類課程的工作，我們的專業課也有很多可以融入的思政元素。要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[6]。為此，在課堂教學改革中圍繞課程內容融入以下思政元素。

1）選用中國航空公司的圖片，使同學們學習掌握知識的同時形成一種潛移默化的認知，增強航空大國的自信。

2）ARJ21新支線飛機完成自然結冰試飛，通過該思政點與發動機防冰系統融合，使同學們知道防冰系統的重要性，并借此對ARJ21新支線飛機做簡要介紹，使同學們了解飛機適航取證工作的嚴謹以及我國航空人為實現國產客機的飛天夢而努力奮斗的歷程。

3）山東盛瑞8AT變速箱，通過該思政點與發動機支承結構融合，使同學們直觀認識支承結構，同時明白科技難題還需要我們自己去研究解決。隨著我國的發展，綜合國力日益增強，西方國家開始采用輿論戰、貿易戰等千方百計阻撓我國的發展，到現在又開始發動科技戰“卡我們的脖子”，這需要同學們樹立堅定的理想，實現我國科技事業的自立自強。

4）沙丘駐渦火焰穩定器，通過該思政點與燃燒室的工作環境融合，使同學們理解火焰穩定燃燒的原理。原來的V型槽火焰穩定器通過改進，可以使性能提高10%～20%，但高歌教授研究出的沙丘駐渦火焰穩定器，一經實驗其性能就是V型槽火焰穩定器的6倍多。航空航天領域專家錢學森院士評價其為長中國人志氣的成果，這可使同學們知道我國科技工作者對航空技術發展的貢獻。

5）陶瓷涂層，通過該思政點與渦輪葉片冷卻技術融合，在講授渦輪葉片冷卻方法的同時，介紹北京航空航天大學原校長徐惠彬院士帶領團隊不斷探索，終于攻克了為渦輪葉片添加陶瓷涂層的技術難題，使我國的渦輪葉片冷卻技術逐漸實現了由跟跑到并跑再到領跑的巨大飛躍。這可使同學們知道我國在航空領域的快速發展離不開老一輩科學家的努力，也需要我們青年一代的人才接續奮斗去實現航空夢、中國夢。

四? 結束語

以航空發動機原理結構與系統課程為例探討了課堂教學改革的思路和措施，通過一個學期的實踐取得了良好的效果。在學評教中，同學們提到在PPT中展示大量圖片、拆裝發動機模型、虛擬仿真實驗等，可使大家真正學明白主要部件長什么樣子，在哪個位置以及有什么樣的功能，加深大家對發動機的理解。課程的知識體系按照先總體后部分的方式進行搭建，有助于先從總體上了解航空發動機的結構，再從細節處體會設計的精妙。在督導評教中，也提到圖片呈現和課上展示發動機模型教具的方式可以使學生更直觀地理解發動機結構。當然在教學實踐中也發現了一些不足，將在后續的教學中不斷完善和改進。

參考文獻：

[1] 魯峰.“航空發動機控制原理”課程混合式教學方法研究[J].工業和信息化教育，2021（6）：39-43.

[2] 陽庭庭.中國商飛公司發布2022-2041年市場預測年報[EB/OL].http：//www.comac.cc/xwzx/gsxw/202211/09/t20221109_7351639.shtml.

[3] 李書明，趙洪利.民航發動機構造與系統[M].北京：中國民航出版社，2015.

[4] 鄧明.航空燃氣渦輪發動機原理與構造[M].北京：國防工業出版社，2008.

[5] 俞凱凱，徐驚雷，葛建輝.論虛擬仿真實驗在航空發動機教學中的重要性——以南京航空航天大學航空發動機原理虛擬仿真實驗平臺為例[J].高教學刊，2021，7（16）：83-87.

[6] 習近平在全國高校思想政治工作會議上強調：把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報，2016-12-09（1）.

基金項目：2022年山東省本科教學改革研究重點項目“以賽促教 思政融合 智慧評價：飛機總體設計課堂教學改革與實踐”（Z2022306）；2022年度山東交通學院本科教學改革研究項目“制造類課程在飛行器制造工程專業中的組織與實施”（2022YB32）

第一作者簡介：魏濤（1981-），男，漢族，山東濟南人，博士，副教授。研究方向為計算流體力學。